WO2000078500A1 - Werkzeugmaschine mit metallbauteilen aus metallschaum und herstellungsverfahren dafür - Google Patents

Werkzeugmaschine mit metallbauteilen aus metallschaum und herstellungsverfahren dafür Download PDF

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WO2000078500A1
WO2000078500A1 PCT/DE2000/001968 DE0001968W WO0078500A1 WO 2000078500 A1 WO2000078500 A1 WO 2000078500A1 DE 0001968 W DE0001968 W DE 0001968W WO 0078500 A1 WO0078500 A1 WO 0078500A1
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metal
outer shell
machine tool
metal foam
foam
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Dieter Kroll
Wolfgang Armleder
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Schwäbische Werkzeugmaschinen GmbH
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F7/00—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression
    • B22F7/002—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression of porous nature
    • B22F7/004—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression of porous nature comprising at least one non-porous part
    • B22F7/006—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression of porous nature comprising at least one non-porous part the porous part being obtained by foaming
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q1/00—Members which are comprised in the general build-up of a form of machine, particularly relatively large fixed members
    • B23Q1/01—Frames, beds, pillars or like members; Arrangement of ways
    • B23Q1/015—Frames, beds, pillars
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q7/00—Arrangements for handling work specially combined with or arranged in, or specially adapted for use in connection with, machine tools, e.g. for conveying, loading, positioning, discharging, sorting
    • B23Q7/14—Arrangements for handling work specially combined with or arranged in, or specially adapted for use in connection with, machine tools, e.g. for conveying, loading, positioning, discharging, sorting co-ordinated in production lines
    • B23Q7/1426—Arrangements for handling work specially combined with or arranged in, or specially adapted for use in connection with, machine tools, e.g. for conveying, loading, positioning, discharging, sorting co-ordinated in production lines with work holders not rigidly fixed to the transport devices

Definitions

  • the invention relates to a machine tool with at least one metal component to be moved and to methods for producing such metal components.
  • Highly dynamic machine tools machining centers
  • Light alloy cast components have increased mechanical damping, but are still very heavy.
  • thin-walled steel-welded constructions can achieve a low weight, but these constructions have only very poor damping properties over the entire frequency range that occurs during the operation of the machine tool.
  • the at least one metal component preferably a slide of the machine tool, is formed by a closed outer shell made of metal, the interior of which is at least partially filled with a metal foam.
  • the advantage achieved by the invention is that the stiffness of the metal component, for example a slide component, and the mechanical damping can be increased with the metal foam with only a slight increase in mass. Damping over a large frequency band is particularly possible with the metal foam.
  • the metal foam is preferably connected to the outer shell, either via an adhesive connection or, which is preferred, via a metallic bond between the metal foam and the outer shell. It has been found that such a metallic compound the damping is further improved. A pretreatment of the contact surfaces of the outer shell may be necessary for this metallic connection.
  • the outer shell should be closed, but not completely airtight.
  • the closed outer shell is formed in one or more parts.
  • the inside of the outer shell and the metal foam are positively connected to one another at least in partial areas.
  • the inside must be provided with a structure (serrations, teeth, grooves, etc.) in which the metal foam can engage.
  • the outer shell can be covered by a sheet metal, e.g. be formed by a sheet steel or a welded steel structure.
  • a sheet metal e.g. be formed by a sheet steel or a welded steel structure.
  • the sheet ends bent inwards can be shaped accordingly, e.g. be serrated.
  • Foamed steel components are in principle recyclable.
  • the metal foam is preferably a foam made of aluminum, zinc, lead or bronze, with aluminum foam being preferred for machine tools.
  • the unloaded metal foam core is left out to save weight.
  • at least one cavity is provided in the interior of the outer shell, which is left free of metal foam.
  • a cavity can be created, for example, by inserting a hollow body (for example a steel tube, etc.) before filling the interior.
  • the raw mass is generally a mixture of metal powder and a blowing agent, which - if necessary after suitable pretreatment - expands to a material by heating to temperatures above the solidus temperature of the respective alloy and thereby unfolds its highly porous, closed-cell pore structure.
  • the powder mixture can be placed in compressed form in an outer shell, for example in one piece, and foamed therein in the oven, a metallic bond between the outer shell and metal foam being possible and also desirable.
  • the powder mixture of the metal foam is foamed in a mold approximately corresponding to the interior of the outer shell and then glued into the outer shell.
  • the metal component can then be annealed in the same oven after "foam baking" even at low temperatures, in order to reduce stresses e.g. Heal in the area of welds of the metal component.
  • already foamed metal foam balls can be filled into the outer shell and glued therein.
  • the single figure shows a cross-sectional view of the metal component according to the invention.
  • the metal component 1 shown in the drawing is the movable slide of a machine tool, on which forces act when machining a workpiece. So that the metal component 1 has the highest possible mechanical damping properties, it comprises a closed outer shell 2 made of metal, the hollow interior of which
  • the outer shell 2 is formed from a one-piece steel sheet, the two shell ends of which are positively connected to one another by a welded connection 5. To save weight, a cavity 6 is left out in the metal foam 4 by inserting a steel tube 7 into the interior 3 before it is filled or foamed with metal foam 4.
  • a metal component 1 to be moved preferably a slide of the machine tool, is formed by a closed outer shell 2 made of metal, the interior 3 of which is at least partially covered with a metal foam
  • the powder mixture of the metal foam 4 can be placed in the outer shell 2 and foamed therein by the supply of heat.
  • the metal component has increased mechanical damping properties despite its low weight.

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Abstract

Bei einer Werkzeugmaschine ist ein zu bewegendes Metallbauteil (1), vorzugsweise ein Schlitten der Werkzeugmaschine, durch eine geschlossene Aussenschale (2) aus Metall gebildet, deren Innenraum (3) zumindest teilweise mit einem Metallschaum (4) gefüllt ist. Dazu kann die Pulvermischung des Metallschaums (4) in die Aussenschale (2) eingelegt und darin durch Wärmezufuhr aufgeschäumt werden. So weist das Metallbauteil trotz geringen Gewichts erhöhte mechanische Dämpfungseigenschaften auf.

Description

Werkzeugmaschine mit Metallbauteilen aus Metallschaum und Herstellungsverfahren dafür
Die Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine mit mindestens einem zu bewegenden Metallbauteil sowie Verfahren zum Herstellen von solchen Metallbauteilen. Hochdynamische Werkzeugmaschinen (Bearbeitungszentren) erfordern Leichtbau-Strukturen in Form von z.B. Leichtmetallguß oder dünnwandigen Stahl-Schweiß-Konstruktionen. Leichtmetallguß-Bauteile besitzen zwar eine erhöhte mechanische Dämpfung, weisen aber immer noch ein recht hohes Gewicht auf. Demgegenüber läßt sich mit dünnwandigen Stahl-Schweiß- Konstruktionen zwar ein geringes Gewicht erreichen, allerdings besitzen diese Konstruktionen nur sehr schlechte Dämpfungseigenschaften über den gesamten während des Betriebs der Werkzeugmaschine auftretenden Frequenzbereich.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, bei einer Werkzeugmaschine der eingangs genannten Art Metallbauteile mit möglichst geringem Gewicht und erhöhten mechanischen Dämpfungseigenschaften bereitzustellen sowie Verfahren zur Herstellung solcher Metallbauteile anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das mindestens eine Metallbauteil, vorzugsweise ein Schlitten der Werkzeugmaschine, durch eine geschlossene Außenschale aus Metall gebildet ist, deren Innenraum zumindest teilweise mit einem Metallschaum gefüllt ist.
Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht darin, daß mit dem Metallschaum bei nur geringer Massenerhöhung die Steifigkeit des Metallbauteils, z.B. eines Schlittenbau- teils, und die mechanische Dämpfung erhöht werden können. Mit dem Metallschaum ist insbesondere eine Dämpfung über ein großes Frequenzband möglich. Der Metallschaum ist vorzugsweise mit der Außenschale verbunden, und zwar entweder über eine Klebeverbindung oder, was bevorzugt ist, über eine metallische Bindung zwischen Metallschaum und Außenschale. Es wurde festgestellt, daß eine solche metallische Verbindung die Dämpfung noch weiter verbessert. Möglicherweise ist für diese metallische Verbindung eine Vorbehandlung der Kontakt- flächen der Außenschale erforderlich. Die Außenschale sollte geschlossen, aber nicht ganz luftdicht sein.
Bei besonders bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist die geschlossene Außenschale ein oder mehrteilig ausgebildet. In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Innenseite der Außenschale und der Metallschaum zumindest in Teilbereichen miteinander formschlüssig verbunden. Dazu kann z.B. die Innenseite mit einer Struktur (Raf- felung, Zahnung, Nuten etc.) versehen sein, in die der Me- tallschaum eingreifen kann.
Die Außenschale kann durch ein Metallblech, z.B. durch ein Stahlblech oder eine Stahl-Schweißkonstruktion, gebildet sein. Um einen Formschluß zwischen dem Stahlblech und dem Metallschaum zu erreichen, können die nach innen gebogenen Blechenden entsprechend geformt, z.B. gezahnt sein. Ausgeschäumte Stahlbauteile sind prinzipiell recyclingfähig.
Vorzugsweise ist der Metallschaum ein Schaum aus Aluminium, Zink, Blei oder Bronze, wobei für Werkzeugmaschinen Alumuni - um-Schaum bevorzugt wird.
Insbesondere bei Metallbauteilen mit großen Querschnitten ist es von Vorteil, wenn der unbelastete Metallschaumkern zur Gewichtseinsparung ausgespart ist. Dazu ist bei bevorzugten Ausführungsformen im Innenraum der Außenschale mindestens ein Hohlraum vorgesehen, der frei von Metallschaum gelassen ist. Ein solcher Hohlraum kann z.B. dadurch erzeugt werden, daß vor dem Befüllen des Innenraums ein Hohlkörper (z.B. ein Stahlrohr etc.) eingelegt wird. Die oben genannte Aufgabe wird auch durch ein erstes Herstellungsverfahren gelöst, bei dem die Pulvermischung (Rohmasse) des Metallschaums in die Außenschale eingelegt und darin durch Wärmezufuhr aufgeschäumt wird. Die Rohmasse ist im allgemeinen eine Mischung aus Metallpulver und einem Treibmittel, die - gegebenenfalls nach geeigneter Vorbehandlung - durch Erwärmung auf Temperaturen oberhalb der Soli- dus-Temperatur der jeweiligen Legierung zu einem Werkstoff expandiert und dabei seine hochporöse, geschlossen- zellige Porenstruktur entfaltet. Die Pulvermischung kann in komprimierter Form in eine z.B. einteilige Außenschale eingelegt und darin im Ofen aufgeschäumt werden, wobei eine metallische Bindung zwischen Außenschale und Metallschaum möglich und auch angestrebt ist.
Bei einem zweiten erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren wird die Pulvermischung des Metallschaums in einer dem Innenraum der Außenschale etwa entsprechenden Kokille aufgeschäumt und dann in die Außenschale eingeklebt .
Bei diesen beiden Herstellungsverfahren ist es von besonderem Vorteil, daß das Metallbauteil im gleichen Ofen nach dem "Schaumbacken" dann auch noch bei geringeren Temperaturen spannungsarm geglüht werden kann, um so Spannungen z.B. im Bereich von Schweißnähten des Metallbauteils auszuheilen.
In einem dritten erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren können auch bereits aufgeschäumte Metallschaumkugeln in die Außenschale eingefüllt und darin verklebt werden.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale erfin- dungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigte und beschriebene Ausführungsform ist nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern hat vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Die einzige Figur zeigt eine Querschnittsansicht des erfindungsgemäßen Metallbauteils.
Bei dem in der Zeichnung dargestellten Metallbauteil 1 handelt es sich um den beweglichen Schlitten einer Werkzeugmaschine, auf den bei der Bearbeitung eines Werkstücks Kräfte einwirken. Damit das Metallbauteil 1 möglichst hohe mechanische Dämpfungseigenschaften aufweist, umfaßt es eine geschlossene Außenschale 2 aus Metall, deren hohler Innenraum
3 zumindest teilweise mit einem Metallschaum 4 gefüllt ist.
Die Außenschale 2 ist aus einem einteiligen Stahlblech geformt, dessen zwei Schalenenden durch eine Schweißverbindung 5 kraf schlüssig miteinander verbunden sind. Zur Gewichtseinsparung ist im Metallschaum 4 ein Hohlraum 6 ausgespart, indem in den Innenraum 3, bevor er mit Metallschaum 4 gefüllt bzw. ausgeschäumt wird, ein Stahlrohr 7 eingelegt wurde.
Bei einer Werkzeugmaschine ist ein zu bewegendes Metallbauteil 1, vorzugsweise ein Schlitten der Werkzeugmaschine, durch eine geschlossene Außenschale 2 aus Metall gebildet, deren Innenraum 3 zumindest teilweise mit einem Metallschaum
4 gefüllt ist. Dazu kann die Pulvermischung des Metall- schaums 4 in die Außenschale 2 eingelegt und darin durch Wärmezufuhr aufgeschäumt werden. So weist das Metallbauteil trotz geringen Gewichts erhöhte mechanische Dämpfungseigenschaften auf.

Claims

Patentansprüche
Werkzeugmaschine mit mindestens einem zu bewegenden Metallbauteil (1) , dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Metallbauteil (1) , vorzugsweise ein Schlitten der Werkzeugmaschine, durch eine geschlossene Außenschale (2) aus Metall gebildet ist, deren Innenraum (3) zumindest teilweise mit einem Metallschaum (4) gefüllt ist.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die geschlossene Außenschale (2) ein- oder mehrteilig ausgebildet ist.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenschale (2) durch ein Metallblech, insbesondere Stahlblech, gebildet ist.
Werkzeugmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallschaum (4) ein Schaum aus Aluminium, Zink, Blei oder Bronze ist.
Werkzeugmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Innenraum (3) der Außenschale (2) mindestens ein Hohlraum (6) vorgesehen ist, der frei von Metallschaum (4) gelassen ist.
Werkzeugmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenseite der Außenschale (2) und der Metallschaum (4) zumindest in Teilbereichen miteinander formschlüssig verbunden sind.
7. Werkzeugmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der außerhalb der Außenschale (2) aufgeschäumte Metallschaum (4) in die Außenschale (4) eingeklebt ist.
8. Verfahren zum Herstellen eines Metallbauteils (1) für eine Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulvermischung des Metallschaums (4) in die Außenschale (2) eingelegt und darin durch Wärmezufuhr aufgeschäumt wird.
9. Verfahren zum Herstellen eines Metallbauteils (1) für eine Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulvermischung des Metallschaums (4) in einer dem Innenraum (3) der Außenschale (2) etwa entsprechenden Kokille aufgeschäumt und dann in die Außenschale (2) eingeklebt wird.
10. Verfahren zum Herstellen eines Metallbauteils (1) für eine Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Metallschaumkugeln in die Außenschale (2) eingefüllt und darin verklebt werden.
PCT/DE2000/001968 1999-06-18 2000-06-15 Werkzeugmaschine mit metallbauteilen aus metallschaum und herstellungsverfahren dafür WO2000078500A1 (de)

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